Diagonalisasi Matriks Segitiga Atas Ring komutatif Dengan Elemen Satuan

Transkripsi

1 Diagonalisasi Matriks Segitiga Atas Ring komutatif Dengan Elemen Satuan Fitri Aryani 1, Rahmadani 2 Jurusan Matematika Fakultas Sains dan Teknologi UIN Suska Riau khodijah_fitri@uin-suskaacid Abstrak Suatu matriks bujur sangkar atas ring komutatif dengan elemen satuan dapat didiagonalisasikan jika terdapat basis - modul bebas pada gabungan setiap ruang eigennya, sehingga Matriks segitiga merupakan bagian dari matriks bujur sangkar determinan dari matriks segitiga yaitu perkalian dari semua elemen diagonal utamanya Dalam pendiagonalisasian matriksnya terlebih dahulu dibentuk persamaan polinomial karakteristiknya dan gunakan nilai eigen dari atau nilai eigen dari akar-akar persamaan karakteristiknya untuk menentukan ruang eigen Selanjutnya gabungkan dan selidiki setiap ruang eigen yang dapat memuat basis - modul bebas di Sehingga suatu matriks segitiga atas ring komutatif dengan elemen satuan yang dapat didiagonalisasikan akan menghasilkan matriks diagonal yang similar terhadap matriks segitiga tersebut Namun pada hasil akhir tidak selalu dapat ditemukan bahwa kedua matriks tersebut mempunyai nilai deteminan yang sama Pada makalah ini diberikan contoh matriks segitiga berukuran yang akan didiagonalisasikan Kata Kunci : diagonalisasi matriks, matriks segitiga, ring komutatif dengan elemen satuan, ruang eigen similaritas matriks Abstract A square matrix over commutative ring with unit element can be diagonalized if have there the bases of - free modul at the each combined eigen space, so that The tringular matrix is part of square matrix, with determinant of a tringular matrix is multiplication of all elements of the main diagonal The step of diagonalizated of matrices is first specify the characteristic polynomial and use the eigenvalue of or the roots of the characteristic equation to determine eigen space further combine and investigate each eigenspace containing base -free module on So that a triangular matrix over commutative ring with unit element can to diagonalization and generating a similar matriks to the triangular matrix, but not always to be found that both the matrices have the same of determinant value In this paper will be given examples of matrices sized Keywords : diagonalization matrix, triangular matrix, commutative rings with unit element, eigen space, similarity matrix 1 Pendahuluan Dalam bidang aljabar pembahasan mengenai matriks, khususnya matriks bujur sangkar menjadi salah satu topik yang menarik untuk dibahas Matriks segitiga merupakan bagian dari matriks bujur sangkar Nilai determinan dari matriks segitiga atas maupun matriks segitiga bawah yaitu perkalian semua elemen-elemen diagonal utamanya, kemudian tranpose dari matriks segitiga atas yaitu matriks segitiga bawah begitu sebaliknya Hal tersebut membuat nilai eigen dari matriks akan sama dengan nilai eigen pada matriks Selanjutnya dengan menggunakan nilai eigen yang sama dapat diperhitungkan vektor eigennya Meskipun nilai eigennya sama namun vektor eigen dari kedua matriks tersebut tidaklah sama Pembahasan mengenai nilai eigen dan vektor eigen ini, mempunyai peranan yang sangat penting dalam pendiagonalisasian suatu matriks Adapun matriks diagonal yang didapat dari matriks akan sama atau similar terhadap matriks Dalam pendiagonalisasian matriks dibutuhkan suatu matriks invertibel yang akan mendiagonalisasikan matriks sedemikian sehingga, sehingga sebarang matriks yang bukan berbentuk matriks diagonal dapat menjadi matriks 619

2 diagonal yang similar terhadap matriks dengan syarat terdapat vektor eigen dari matriks yang bebas linier Hal tersebut sama halnya dalam pendiagonalisasian matriks atas ring komutatif, namun tidak semua matriks atas ring komutatif dapat didiagonalisasikan Sehingga untuk menemukan suatu matriks diagonal yang similar terhadap matriks, ada syarat yang harus dipenuhi dalam pendiagonalisasian matriksnya Adapun syarat pendiagonalisasian matriksnya yaitu harus termuat basis - modul bebas dari gabungan semua ruang eigennya Pembahasan mengenai diagonalisasi matriks khususnya pada ring komutatif dengan elemen satuan sebenarnya telah disinggung ataupun dibahas pada [6] Makalah tersebut membahas tentang langkah-langkah dalam pendiagonalan matriks sehingga didapat suatu matriks diagonal Selanjutnya [8] membahas tentang langkah-langkah diagonalisasi suatu matriks yang elemen-elemennya berasal dari suatu daerah ideal utama (DIU) dan karakteristik elemen di diagonal utama matriks hasil proses diagonalisasi tersebut Berdasarkan pemaparan latar belakang diatas, penulis tertarik untuk membahas tentang diagonalisasi matriks khususnya pada matriks segitiga 2 Bahan dan Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan metode studi literatur Berikut diberikan literatur-literatur yang diperlukan untuk menunjang hasil dan pembahasan 21 Matriks Segitiga Definisi 1 [1] Matriks bujur sangkar yang semua entri diatas diagonal utamanya nol disebut matriks segitiga bawah kemudian matriks bujur sangkar yang semua entri dibawah diagonal utamanya nol disebut matriks segitiga atas Suatu matriks yang termasuk dalam matriks segitiga bawah maupun matriks segitiga atas disebut matriks segitiga Berikut ini diberikan bentuk umum dari matriks segitiga atas (matriks ) maupun matriks segitiga bawah (matriks ) dan Berikut diberi pembahasan mengenai definisi dari suatu ring, ring komutatif dan aksioma-aksioma yang berlaku pada ring dan ring komutatif tersebut beserta contohnya Definisi 2 [7] Suatu ring adalah suatu himpunan tak kosong dengan operasi biner penjumlahan dan perkalian pada yang memenuhi aksioma-aksioma berikut: 1 Tertutup terhadap penjumlahan, maka berlaku 2 Asosiatif terhadap penjumlahan, berlaku 3 Adanya unsur satuan atau identitas terhadap penjumlahan, Terdapat sehingga berlaku bahwa 4 Adanya unsur balikan atau invers terhadap penjumlahan (+), terdapat sehingga 5 Komutatif terhadap penjumlahan (+), maka berlaku 6 Tertutup terhadap perkalian, maka berlaku 7 Asosiatif terhadap perkalian, berlaku 8 Distributif perkalian terhadap penjumlahan, maka berlaku (distribusi kanan) dan (distribusi kiri) Dari defenisi diatas dapat disimpulkan bahwa suatu stuktur aljabar dengan dua operasi biner dikatakan suatu ring bila: 620

3 1 merupakan suatu grup komutatif 2 merupakan suatu semi grup/ monoid 3 distributif Definisi 3 [4] Diberikan suatu ring Jika terdapat sehingga untuk setiap berlaku, maka disebut elemen satuan dan dikatakan ring dengan elemen satuan Jika terhadap perkalian bersifat komutatif, maka disebut ring komutatif Definisi 4 [2] Dua elemen dan pada suatu ring komutatif dikatakan saling berhubungan jika untuk beberapa unit di dengan Jika dan berhubungan, dapat ditulis Definisi 5 [2] Jika suatu ring kemudian disebut elemen-elemen tidak nol dari dengan Suatu disebut pembagi nol kiri jika untuk beberapa, suatu disebut pembagi nol kanan jika untuk beberapa menyatakan himpunan elemen di yang merupakan pembagi nol kiri dan kanan Selanjutnya akan dibahas mengenai modul dan akan diberikan definisi dari modul bebas 22 Modul Definisi 6 [3] Diberikan suatu ring dan suatu grup abelian dengan perkalian skalar Suatu -modul kanan atau modul kanan atas didefenisikan sebagai berikut: untuk setiap dan memenuhi aksioma-aksioma: a b c d Kemudian suatu -modul kiri atau modul kiri atas didefenisikan sebagai berikut: untuk setiap dan memenuhi aksioma-aksioma: a b c d Definisi 7 [2] Diberikan merupakan -modul dan diberikan merupakan subset dari, sehingga: a merupakan basis -modul dari yang dapat membentuk kombinasi linier dari elemen b Sebuah himpunan bagian dari elemen dari dikatakan bebas linier atas jika memenuhi dengan untuk setiap c bebas linier atas jika setiap bagian dari elemen bebas linier atas d merupakan basis -modul bebas dari jika merupakan basis -modul dan bebas linier atas 621

4 e merupakan basis -modul bebas jika mempunyai suatu basis -modul bebas Selanjutnya akan dibahas mengenai matrik atas ring komutatif 23 Matriks Atas Ring Komutatif Definisi 8 [2] Misalkan adalah ring komutatif, maka himpunan semua matriks berukuran atas, dinotasikan disebut himpunan matriks atas ring komutatif Selanjutnya akan dibahas tentang nilai eigen dan vektor eigen beserta sedikit pembahasan mengenai ruang nul (Null Space) pada matriks atas ring komutatif 24 Nilai Eigen dan vektor Eigen Definisi 9 [1] Jika adalah matriks, maka terdapat vektor taknol didalam dinamakan vektor eigen (eigenvector) dari jika adalah kelipatan skalar dari, yakni: untuk suatu skalar Skalar dinamakan nilai eigen (eigenvalue) dari dan dikatakan vektor eigen yang bersesuaian dengan Definisi 10 [2] Diberikan a Suatu elemen, disebut nilai eigen dari matriks jika dipenuhi untuk suatu yang tak nol b disebut spektrum dari c Vektor tak nol disebut vektor eigen jika untuk semua d disebut ruang eigen yang bersesuaian dengan suatu nilai eigen Lemma 1 [2] Diberikan berhubungan: a b c Maka bagian berikut ini semuanya sama atau saling Definisi 11 [5] Diberikan matriks, himpunan dari semua vektor di yang memenuhi persamaan disebut ruang null dari dan dilambangkan dengan null Definisi 12 [2] Diberikan di disebut himpunan akar-akar Selanjutnya akan dibahas mengenai invers matriks yang juga merupakan bahasan penting dalam pendiagonalisasian matriks nantinya 25 Invers Matriks dan Diagonalisasi Matriks Dalam mencari invers matriks banyak metode yang dapat digunakan Penelitian ini akan menggunakan metode OBE dalam mendapatkan invers matriks atas ring komutatif Berikut diberikan defenisi tentang invers dari suatu matriks 622

5 Definisi 13 [1] Jika adalah sebuah matriks bujur sangkar, dan jika sebuah matriks yang berukuran sama dapat ditentukan sedemikian sehingga, maka disebut dapat dibalik dan disebut invers dari Lemma 2 [2] Diberikan, matriks invertibel jika dan hanya jika adalah himpunan unit-unit di Landasan teori yang terakhir dibahas tentang diagonalisasi matriks Definisi 14 [1] Matriks kuadrat dapat didiagonalisasikan jika terdapat matriks yang dapat dibalik sehingga diagonal, matriks dikatakan mendiagonalisasi Dari definisi diatas, matriks atas ring komutatif juga dapat didiagonalisasikan sehingga dapat pula ditemukan matriks yang dapat dibalik (invertibel) Namun ada syarat pada proses pendiagonalisasian matriks atas ring komutatif Berikut diberikan teorema syarat dari keterdiagonalan matriks atas ring komutatif Teorema 1 [2] Misalkan, matriks dapat didiagonalisasikan jika dan hanya jika memuat suatu basis dari - modul di Lemma 3 [2] Diberikan dengan dimana biasanya untuk setiap kemudian diberikan dengan Jika maka untuk setiap 3 Hasil dan Pembahasan Berikut ini akan diberikan langkah-langkah secara umum dalam pendiagonalisasian matriks segitigaatas ring komutatif dengan elemen satuan Langkah yang diberikan adalah langkah-langkah secara umum untuk matriks segitiga atas saja, untuk segitiga bawah langkahnya sama, hanya matriksnya yang berbeda Diberikan matriks segitiga atas berukuran yang akan didiagonalisasikan sebagai berikut: Misalkan Adapun langkah-langkah dalam pendiagonalisasiannya: 1 olinomial karakteristik dari matriks sebagai berikut:, maka: 2 Tentukan nilai eigen dari persamaan polinomial karakteristiknya Karena, maka akan diperoleh: dan 3 Tentukan ruang eigen dengan menggunakan nilai eigen dari sebagai berikut: NS (Nullspace) dari matriks tersebut diperoleh dengan menyelesaikan SPL homogen Dari penyelesaian sistem persamaan diatas maka akan ditemukan vektor-vektor dari ruang eigen 4 Gabungkan semua ruang eigen dan selidiki basis - modul bebas dari setiap ruang eigennya, yaitu 623

6 5 Terdapat basis - modul bebas dari yaitu vektor-vektor yang bebas linier dan membangun di kolom pada matriks berikut: tersebut Vektor-vektor tersebut dapat ditulis sebagai vektor-vektor untuk suatu Matriks diatas tidak tunggal Selanjutnya dapat ditemukan invers dari matriks dengan melakukan operasi baris elementer (OBE) untuk mereduksi matriks menjadi matriks dan juga lakukan operasi baris elementer yang sama pada matriks untuk menemukan 6 Diperoleh matriks diagonal sedemikian sehingga Sehingga diperoleh matriks yang similar terhadap matriks Selanjutnya akan diberikan contoh diagonalisasi matriks segitiga atas dan matriks segitiga bawah atas ring komutatif dengan elemen satuan berukuran Contoh 5 Diagonalisasikanlah matriks berikut ini: Penyelesaian: Untuk mendiagonalisasikan matriks di atas maka akan digunakan langkah-langkah yang telah ada, sebagai berikut: 1 Polinomial karakteristik dari matriks sebagai berikut: 2 Nilai eigen dari persamaan polinomial karakteristiknya, Selanjutnya:,,, maka dan 3 Ruang eigen dengan menggunakan nilai eigen dari sebagai berikut: NS (Nullspace) dari matriks tersebut diperoleh dengan menyelesaikan SPL homogen berikut: diperoleh:, 624

7 maka, selanjutnya NS (Nullspace) dari matriks tersebut diperoleh dengan menyelesaikan SPL homogen berikut: diperoleh:,, maka, dan NS (Nullspace) dari matriks tersebut diperoleh dengan menyelesaikan SPL homogen berikut: diperoleh:, maka 4 Gabungan semua ruang eigen dan selidiki basis - modul bebas dari setiap ruang eigennya 5 Basis - modul bebas dari sebagai berikut: dengan, dan merupakan basis - modul bebas sebab membangun dan bebas linier Selanjutnya akan dicari invers matriks dengan menggunakan metode OBE, Sehinggga diperoleh invers dari matriks :, 6 Diperoleh matriks diagonal sedemikian sehingga, sebagai berikut: Dari dapat ditemukan vektor-vektor lainnya yang bebas linier yang dapat memuat basis - modul bebas Berikut salah satu basis - modul bebas lainnya: 625

8 Adapun invers matriks dengan metode OBE, yaitu maka: Sehingga diperoleh matriks dan yang similar terhadap matriks, kemudian juga dengan dan Contoh 6Diagonalisasikanlah matriks berikut ini Penyelesaian: 1 Polinomial karakteristik dari matriks sebagai berikut: 2 Nilai eigen dari persamaan polinomial karakteristiknya maka dan 3 Ruang eigen dengan menggunakan nilai eigen dari sebagai berikut:, selanjutnya dengan cara yang sama diperoleh 4 Gabungan semua ruang eigen dan selidiki basis - modul bebas dari setiap ruang eigennya, yaitu 5 Basis - modul bebas dari sebagai berikut: dengan, dan merupakan basis - modul Selanjutnya akan ditemukan invers matriks dengan menggunakan metode OBE Sehinggga diperoleh invers dari matriks : 626

9 6 Diperoleh matriks diagonal sedemikian sehingga, sebagai berikut: Dari dapat ditemukan vektor-vektor lainnya yang bebas linier yang dapat memuat basis - modul bebas Berikut salah satu basis - modul bebas lainnya:, Sehinggga diperoleh invers dari matriks :,maka: Sehingga diperoleh matriks dan yang similar terhadap matriks, kemudian juga dengan dan Matriks similar terhadap matriks yang mempunyai akar-akar karakteristik yang sama dimana 4 Kesimpulan Berdasarkan pembahasan di atas maka kesimpulan yang didapat yaitu: 1 Suatu matriks segitiga dengan entri-entri diagonal utama dari matriks, jika dengan entri-entri diagonal utama matriks maka dapat ditunjukkan bahwa setiap entri-entri diagonal utama dari matriks saling ekuivalen dengan entrientri diagonal utama matriks jika memenuhi untuk beberapa namun tidak selalu sama dengan Seperti pada Contoh 6 dimana matriks mempunyai diagonal utama dan diagonal utama matriks maka dan, namun dengan 2 Jika maka matriks dan matriks saling mempunyai akar-akar karakteristik yang sama Seperti pada Contoh 5 dimana dan pada Contoh 6 dimana Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada kolega yang telah memberikan masukan dalam peningkatan kualitas makalah ini Daftar Pustaka [1] Anton, Howard Dasar-Dasar Aljabar Linear Jilid Satu Jakarta : Penerbit Binarupa Aksara Publisher 2002 [2] Brown, C WilliamMatrices Over Commutative Rings New York: Marcel Dekker, Inc1993 [3] Connell, E H Elemen of Abstract and Linier Algebra Department of Mathematics University of Miami 1991 [4] Gilbert, Jimmie Element of Modern Algebra Boston: Kent Publishing Company Boston 1992 [5] Hardy, Kenneth Linier Algebra For Engineers and Scientists Using Matlab From A Mathematician s Apology [6] Kinanti, Fidiah, dkk Diagonalisasi Matriks Atas Ring Komutatif dengan Elemen Satuan Buletin Ilmiah Mat Stat dan Terapannya (Bimaster)2013; 02(3): [7] Mas Oed Fadli Struktur Aljabar Jakarta : Penerbit Akademia Permata 2013 [8] Persulessy, E R Karakteristik Elemen-Elemen Diagonal Utama Pada Matriks Atas DIU Yang Terdiagonalisasi Prosiding, Seminar Nasional Basic Sains VI